基本情報技術概論 ( 第 10 回 )

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計算機システム

基本情報技術概論 ( 第 10 回 )

埼玉大学理工学研究科堀山貴史

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計算機アーキテクチャ

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主記憶 (main memory, メモリ ) に、プログラムとデータを置く

出力装置入力装置

制御装置

補助記憶装置

CPU

演算装置

主記憶装置

コンピュータの構成 ( 第１回の復習 )

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主記憶の上のプログラム命令を前から順に読んで実行す

る演算命令（加減算やシフトな

ど）条件分岐やジャンプもある

主記憶

ADD GR0, 1

SUB GR0, 10

JNZ 01・・・

（参考）フローチャート

i + 1 → i

i < 10

プログラムの実行

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主記憶の上のプログラム命令を前から順に読んで実行す

る演算命令（加減算やシフトな

ど）条件分岐やジャンプもあるプログラム内蔵方式

主記憶装置にプログラムを置いて

　実行する方式___________

主記憶

ADD GR0, 1

SUB GR0, 10

JNZ 01・・・

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CPU （プロセッサ）

制御装置 + 演算装置

バ　ス

主記憶装置汎用

レジスタＡＬＵ

プログラムカウンタ

命令レジスタ

命令デコーダ制御回路

制御装置演算装置

参考：一度に処理できるビット数は、時代と共に大きく　　　　　 8 bit CPU → 16 bit → 32 bit → 64 bit

データやり取り用に複数の回路がぶら下がった経路

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演算装置

バ　ス




命令レジスタ



汎用レジスタ … プログラム実行に必要な値を一時的に記憶

ＡＬＵ (Arithmetic and Logic Unit) 算術演算（加減乗除）や論理演算、シフト演算を行う時代と共に、演算器の種類が多くなっている加減算器のみ → 乗除算器つき → マルチメディア

演算

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制御装置

バ　ス




命令レジスタ



プログラムカウンタ主記憶上のプログラムの現在の位置（番地）を記憶するレジスタ　　（命令アドレスレジスタと

もいう）命令レジスタ

主記憶から読んだ、現在の命令を記憶するレジスタ

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命令ごとに、以下を繰り返す

(1) I F 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む

(2) I D 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読

(3) EX 演算を行う(4) MA 主記憶にアクセスする(5) WB 実行結果をレジスタに格納する

I F I D EX MA WB

※ １ I F - Instruction Fetch / I D - Instruction Decode / EX - Execution / MA - Memory Access / WB - Write Back※ ２設計によって、各ステージの詳細には差異がある


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(1) I F : 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む

バ　ス



命令レジスタ




プログラムの番地を指示

指示された番地の命令が返って

くる


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(2) I D : 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読

例） LD GR0, 200 主記憶 200 番地の内容を GR0 にロー

ドバ　ス




命令レジスタ




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(3) EX : 演算を行う

例）演算命令、オペランドのアドレス計算

バ　ス

主記憶装置

ＡＬＵ


命令レジスタ



汎用レジスタ


13

(4) MA : 主記憶にアクセスする

バ　ス




命令レジスタ




14


(5) WB : 実行結果をレジスタに格納する

バ　ス




命令レジスタ



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高速化技術：プログラムの実行 ( 再び )

(1) I F 命令をメモリから命令レジスタに読み込む

(2) I D 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読

(3) EX 演算を行う(4) MA メモリにアクセスする(5) WB 実行結果をレジスタに格納する

I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB

１つ目の命令２つ目の命令

・・・

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高速化技術 ( パイプライン処理 )

I F I D EX MA

I F I D

I F I D WB

I F MA WB・・・

１つ目の命令２つ目の命令３つ目の命令４つ目の命令・

・・

・命令の依存関係を解決する必要がある

・条件分岐が成立すると、次の命令からやり直し

___________

EX

WB

EX

I D

MA WB

MA

EX

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高速化技術 ( スーパースカラー )

演算器を複数持つなどして、複数のパイプライン処理を同時に実行する

I F I D EX MA WB

I F I D EX MA WB

I F I D EX MA WB

I F I D EX MA WB

I F I D EX MA WB

I F I D EX MA WB

命令の依存関係の　解決が複雑

→ ハードウェアが複雑

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高速化技術 (VL I

W)

Very Large Instruction Word 複数命令を１つの固まりとみなし、同時に

実行

IF IDEX

MA WBEXEXEX

IF IDEX

MA WBEXEXEX

…・命令の依存関係の解決は、コンパイラに任せる

・ハードウェアは簡単

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彼が携帯電話を使うと、 1 秒間に 6 回キーを押すことができる。また、平仮名の入力には、 1 文字に平均 3 回キーを押す必要がある。

・ 1 秒間に何文字の平仮名が打てるか？・平仮名 1 文字あたり、何秒かかるか？（予測入力等は考慮しない。）

練習問題？：性能評価

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性能評価

クロッククロックに同期して、レジスタの値が変わ

る

例 )

クロックに同期して、ステージを進める

クロック周波数 ( 単位は Hz) １秒間のクロック数例： CPU のクロック周波数が 1.6 GHz

IF ID EX MA WB

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性能評価

CPI (Clocks Per Instruction) １命令ごとの（実行に必要な）クロック数

例 )

命令ごとにクロック数可変なら、平均をとる

M I PS (Million Instruction Per Second) １秒ごとの命令（実行）数（単位 M …

100万） FLOPS (Floating point number Operations Per

Second) １秒ごとの浮動小数点演算実行数

IF ID EX MA WB この例なら５クロック

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練習問題：性能評価

1 GHz で動作する CPU がある。この CPU は、

機械語の 1 命令を平均 0.8 クロックで実行できる。

この CPU は何 M I PS か。

(H19年度秋一部改変 )

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クロック周波数 6 MHz (6 x 106 クロック / 秒 )

CP I 3 （クロック / 命令）

M I PS 2 （ 2 x 106 命令 /

秒） 1 命令の実行時間 0.5 μs （ 0.5 x 10-6 秒 /

命令）

練習問題？：性能評価

slide 19

1 秒間に 6 回キーを押す。1 文字に平均 3 回キーを押す必要がある。

・ 1 秒間に何文字？・ 1 文字あたり、何秒かかる？

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主記憶装置

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記憶の階層

高速・小容量と低速・大容量の記憶装置うまく組み合わせれば、高速・大容量の記憶

装置のように扱える

レジスタ

主記憶（メモリ）

補助記憶（ HDD 、 Disc 、テープ）

容量アクセ

ス速度

小

大

速い

遅い

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記憶の階層 ( キャッシュ , Cache)

動作速度の差を埋めるための仕組み

容量速度

小

大

速い

遅い補助記憶

ディスクキャッシュ

主記憶（メモリ）

キャッシュ

レジスタ

近頃のＣＰＵで

は、 L1, L2キャッシュ

___________

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練習問題：記憶の階層

平均年齢は？

50 才

20 才 80 ％

27

容量速度

小

大

速い

遅い主記憶（メモリ）

キャッシュ

50 ns

20 ns 80 ％

アクセス時間

キャッシュヒッ

ト率

実効アクセス速度は？ … アクセス時間の期待値

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実効アクセス時間 = キャッシュアクセス時間 x キャッシュヒット率

+ 主記憶アクセス時間 x ( 1 – キャッシュヒット率 )

問題 ) アクセス時間が主記憶 60 ns 、キャッシュ 10 ns のシステムがある。システムとしての実効アクセス速度が 15 ns の時、キャッシュのヒット率はいくらか。

(H19年度春 )


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参考：メモリアクセスの高速化

メモリインタリーブ主記憶へのアクセスを高速化する手法主記憶を複数の区画（バンク）に分割し、並列にアクセスする

主記憶

159

26

10

37

11

48

12

… … … …

番地

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(1) I F : 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む

バ　ス



命令レジスタ




プログラムの番地を指示

指示された番地の命令が返って

くる


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(2) I D : 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読

例） LD GR0, 200 主記憶 200 番地の内容を GR0 にロー

ドバ　ス




命令レジスタ




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(3) EX : 演算を行う

例）演算命令、オペランドのアドレス計算

バ　ス

主記憶装置

ＡＬＵ


命令レジスタ



汎用レジスタ


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(4) MA : 主記憶にアクセスする

バ　ス




命令レジスタ



データの番地を指示


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(5) WB : 実行結果をレジスタに格納する

バ　ス




命令レジスタ




37

実効アクセス速度 15 ns

37

容量速度

小

大

速い

遅い主記憶（メモリ）

キャッシュ

60 ns

10 ns ？

アクセス時間

キャッシュヒッ

ト率


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この文面は、 TOKYO TECH OCW の利用条件を参考にしました

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配布場所 http://www.al.ics.saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/

この powerpoint ファイルの著作者堀山貴史　 2007-2010 [email protected]

u.ac.jp 改変等を加えられた場合は、お名前等を追加してください

図の著作者 p. 3, 25, 29

ハードディスク : 堀山貴史 CPU, メモリ , キーボード , USB :

http://webweb.s92.xrea.com/ パソコン , ディスプレイ , プリンタ , マウス , FD, CD :

Microsoft Office Online / クリップアート p. 19, 27

クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート

その他堀山貴史

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